Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Анализ симбиотических вещественно-обменных отношений простейшего и зеленой водоросли

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Бархатов, Юрий Валерьевич, Красноярск

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Российская Академия Наук Сибирское отделение

ИНСТИТУТ БИОФИЗИКИ

На правах рукописи

Бархатов Юрий Валерьевич

Анализ симбиотических вещественно-обменных отношений простейшего и зеленой водоросли на примере Paramecium

bursaria

03.00.02 - биофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель - к.ф.-м.н. В.Г.Губанов

Красноярск -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение......................................................................................................................4

Глава 1. Теоретический анализ организации массообменных потоков в

биотических системах: оптимальные структуры................................................8

1.1. Эволюция биосистем.......................................................................................8

1.2. Моделирование оптимальных структур биосистем.....................................9

1.3. Модельный эксперимент и результаты.......................................................12

Глава 2. Эндосимбиоз животного и водоросли - комплекс Paramecium

burs aria.............................................................................................17

2.1. Симбиотические вещественно-обменные отношения........................17

2.1.1.Специфика симбиотических вещественно-обменных отношений

животного и водоросли......................................................................21

2.2. Симбиотический комплекс Paramecium bursaria.......................................25

2.3. Исследование кооперативного действия субстратов разной природы (минерального и органического) на скорости роста компонентов симбиотического комплекса Paramecium bursaria....................................31

2.3.1. Описание и методы исследования......................................................31

2.3.2. Результаты и их анализ........................................................................33

Глава 3. Модель симбиотического цикла простейшего и зеленой одноклеточной водоросли на примере Paramecium bursaria...............................39

3.1. Клеточная модель эндосимбиоза зоохлорелла-инфузория.......................39

3.1.1 .Построение.............................................................................................39

3.1.2.Численное исследование.......................................................................47

3.2. Популяционная модель.................................................................................51

3.2.1 .Построение.............................................................................................51

3.2.2.Численное исследование и верификация............................................58

3.3.Сравнение различных способов существования комплекса

Р. бмгяагш-зоохлорелла.................................................................................61

Заключение...............................................................................................................69

Основные результаты и выводы.............................................................................71

Литература................................................................................................................73

Приложение 1............................................................................................................83

Приложение 2............................................................................................................86

ВВЕДЕНИЕ

Одной из наиболее важных задач современной биофизики является полное и всестороннее изучение принципов организации и поддержания биотических циклов, как основы функционирования любой надорганизменной системы, в том числе и земной биосферы. В условиях непрерывного роста антропогенного вмешательства в окружающую среду, чреватого необратимым нарушением биосферного гомеостаза, данная проблема должна рассматриваться как напрямую связанная с возможностью дальнейшего существования человеческой цивилизации.

Биотические циклы крайне разнообразны по своей структуре, функциям и значению для системы в целом. Примером элементарного цикла в экосистеме может являться трофическое взаимодействие между несколькими популяциями. Ясно, что именно такие циклы являются первоначальными звеньями, из которых строятся глобальные цепи биосферного взаимодействия. Выяснив принципы, с помощью которых формируются элементарные циклы вещественного обмена, можно получить инструмент управления ими, что явится существенным вкладом в понимание механизмов функционирования глобальных биотических циклов.

Одним из наиболее интересных в этом плане вещественнообменных взаимодействий являются симбиотические отношения вообще, и в частности эндосимбиоз животного и зеленой водоросли, в котором на элементарном уровне реализуются принципы функционирования глобального биосферного цикла "фотосинтез-дыхание". Характерным представителем этого класса объектов является инфузория Paramecium bursaria, содержащая в себе клетки зеленой водоросли Chlorella condutrix.

Для исследования подобных объектов необходимо совмещать экспериментальный и теоретический подходы; в частности, полезно иметь их математические модели, которые могут выявить особенности моделируемого объекта, недоступные непосредственно в натурном эксперименте.

Целью данного исследования являлся теоретико-экспериментальный анализ вещественно-обменных процессов в элементарных биосистемах и поиск оптимальной формы их реализации. Изучение становления циклов вещества позволяет пролить свет на механизм формирования и поддержания устойчивого круговорота вещества в надорганизменных системах и на эволюцию круговорота веществ в целом.

Задачи работы:

1.Используя современные представления о формах массообменных взаимодействий между популяциями в экосистемах, построить модель эволюционного развития трофических цепей экосистемы, конечное состояние которого будет содержать информацию об оптимальной организации вещественно-обменных потоков, а цепь последовательных состояний моделируемой системы в процессе развития подскажет предположительный путь эволюции природных сообществ.

2.Провести лабораторные исследования симбиотического комплекса Paramecium bursaria, который можно рассматривать в качестве простейшей двухзвенной надорганизменной системы. Данная система способна потреблять из внешней среды субстраты разной природы - как поедать обычную для инфузорий органическую пищу, так и сорбировать через клеточную стенку минерализованные соединения азота. Каждому типу питания соответствует своя форма вещественнообменных взаимодействий между инфузорией и зоохлореллой. Выяснение того, какой тип вещественного обмена доминирует в системе при данных условиях, позволит считать этот тип взаимодействия более предпочтительным для подобных систем в этих же условиях. Соответствие этого типа взаимодействия полученной теоретически оптимальной

вещественно-обменной структуре для двухкомпонентной системы будет говорить в пользу корректности полученных теоретических результатов.

3 .Построить и верифицировать модель вещественного обмена биогенных элементов в симбиотическом комплексе Paramecium bursaria, способную быть расширенной на более широкий класс подобных систем. Модифицировать построенную модель путем введения либо исключения вещественно-обменных потоков, устанавливающих в модельной системе другие возможные формы вещественно-обменных взаимодействий между составляющими комплекс компонентами: отношения "хищник-жертва" и отдельное независимое сосуществование популяций ("экзосимбиоз"). Поместив все эти модельные системы в единую модельную среду обитания с одним субстратом, оценить, какие из форм будут иметь преимущество в результате отбора. Та модельная система Paramecium bursaria, которая переживает своих конкурентов, будет иметь наибольшую скорость роста и, соответственно, преимущество в данных условиях.

Материалы диссертационной работы докладывались на международном симпозиуме "Реконструкция гомеостаза" (г. Красноярск, март 1998 г.), международной конференции "Математические модели и методы их исследования" (г. Красноярск, август 1997 г.), на конференциях молодых ученых КНЦ СО РАН (г. Красноярск, март 1997 г.) и ИБФ СО РАН (г. Красноярск, февраль 1997 г.), на семинарах Института биофизики СО РАН.

По теме диссертационной работы опубликованы 4 печатные работы (2 статьи и 2 тезиса докладов на конференциях).

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа изложена на 88 страницах (Основной текст - 82 страницы), содержит 16 рисунков и 2 таблицы. Список цитируемой литературы насчитывает 104 наименования (46 русских и 58 иностранных).

Традиционная глава с обзором литературы по теме в работе в явном виде отсутствует - она рассредоточена по главам диссертации согласно логике изложения.

В работе принята двойная нумерация формул и рисунков: первая цифра соответствует номеру главы или приложения, вторая - порядковому номеру внутри главы.

Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОРГАНИЗАЦИИ МАССООБМЕННЫХ ПОТОКОВ В БИОТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ:

ОПТИМАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ

1.1. Эволюция биосистем

Как неоднократно отмечалось (Пучковский, 1994, 1990; Абросов и др., 1982; Шварц, 1980), структура любого биологического сообщества - результат длительного эволюционного процесса. Эволюция видов и эволюция экосистем неразрывно связаны - разделение происходящих в биосистеме процессов на экологические и эволюционные ведет к сокрытию важных свойств системы (Van Der Laan, Hogeneg, 1985). Утверждается (Яблоков-Хнзорян, 1990, 1986), что эволюционный отбор в биоценозах (экосистемах), который необходимо отличать от дарвинистского эволюционного отбора, направлен на стабилизацию трофических сетей. Т.о., на уровне экосистем существует направленная эволюция, приводящая к образованию стабильных трофических пирамид, обеспечивающих существование каждой из популяций в рамках экосистемы. Этому находится подтверждение и в экспериментах с имитационными моделями эволюционных процессов - итогом имитационной эволюции становится состояние, близкое к стазису (Maynard, 1992). Характерным условием подобного вида эволюции является стабильность внешних условий. Наиболее ярким, но не единственным примером систем такого рода являются микробные популяции, которые в условиях активного роста демонстрируют быструю смену поколений, сопровождаемую наглядно наблюдаемыми генетическими изменениями (Печуркин, 1978, Печуркин и др., 1990). Следует сразу оговориться, что "эволюция экосистем" здесь понимается как "условно обратимое ... образование новых сообществ в результате возникновения видов, формирование ими новых экологических ниш и отбора

сочетаний видов" (Реймерс, 1991, стр. 494), т.е., иными словами, как процесс приспособления экосистемы к определенным условиям существования, не являющийся необратимым и имеющий, при неизменности внешних условий, конечное состояние. Именно такой подход, явно или неявно, предполагается обычно при попытках математического моделирования эволюционных процессов (Кравцов, 1995; Алексеев и др., 1992; Левченко и др., 1988). Однако присутствие механизма генетических мутаций, выражаемое в спонтанной смене характеристик отдельных видов (популяций) считается обязательным, поскольку целью подобных моделей является, в основном, демонстрация самого процесса эволюции видов. При переходе к эволюции популяций необходимость в этом отпадает и можно использовать следующий принцип: "Эволюцию любых биосистем можно представить как изменение числа подсистем или их рекомбинацию" (Пучковский, 1990, стр. 463).

1.2.Моделирование оптимальных структур биосистем.

Известно, что существует определенное количество форм вещественно-обменных связей (типов взаимодействий) между двумя видами. Согласно современным представлениям (Одум, 1986) их классифицируют согласно влиянию на жизнедеятельность друг друга - стимуляция роста (+), торможение роста (-) и отсутствие влияния (0). Это нейтрализм (00), конкуренция непосредственная и конкуренция из-за ресурсов (—), аменсализм (-0), паразитизм и хищничество (+-), комменсализм (+0), протокооперация и мутуализм (симбиоз) (++). Теоретически, в произвольно взятой экосистеме, состоящей из п видов, могут реализоваться все эти типы взаимодействий, но в природных сообществах присутствуют только некоторые, реализованные в процессе естественного отбора формы, наиболее выгодные для экосистемы при неизменном наборе видов и внешних условий.

Рассмотрим модельную экосистему, состоящую из п видов. В модели, использующей аппарат дифференциальных уравнений, учитываются разнообразные вещественные связи - лишь трофического типа - с другими компонентами системы: конкуренция за субстрат, хищничество, мутуализм и прочие. Используются следующие положения: а/ каждая из популяций может потреблять поступающий извне единый для всех субстрат So (So = const), б/ каждая из популяций выделяет некоторый, специфичный только для нее, метаболит, в/ каждая из популяций может потреблять биомассу всех других популяций, г/ каждая из популяций может потреблять метаболиты всех других популяций, д/ потерь вещества при переносе не происходит. Блок-схема модели показана (для случая п = 2) на рисунке 1.1.

Xi ^_ Х2

Рисунок 1.1. Блок-схема массообменных потоков в системе из двух популяций. Символами X обозначены популяции, символами 8 - питательные субстраты.

Скорость роста каждой из популяций описывается уравнением вида

k ¡So — clkkXk +

dt

n

(1.1)

т=1,т^к

а скорость изменения концентрации субстратов, соответственно (18к п

-— ЯккХк — ^ З.кт' Хт8к — Г)8к г л

т=1,т*к ' ^ ^

В реальной системе каждый вид связи может, как присутствовать, так и отсутствовать. Но, как было показано (Левченко и др., 1988), экологическая эволюция в системе с заданными внешними условиями предопределена. Т.о., реальному объекту должна соответствовать та система, в которой вещественно-обменные потоки сконфигурированы таким образом, что обеспечивают преимущество экосистемы в эволюционном плане. Найти такую структуру можно, например, моделированием эволюции с помощью дрейфа дифференциальных уравнений, определяемым теорией вероятностей (Ризниченко, Рубин, 1993), но проще добиться этого, поместив все возможные варианты системы (конфигурации) популяций в единую модельную среду. Оставшаяся в процессе отбора в численном эксперименте структура и будет соответствовать реальному состоянию системы, сложившемуся в результате эволюции. Последовательно удаляя полученные структуры из модельной среды и, повторяя процедуру выбора, получим спектр состояний системы, реализуемый в процессе эволюционного отбора (в обратной последовательности).

Один из вариантов интерпретации (физического смысла) данной модельной среды: параллельная (не последовательная) цепь проточных культиваторов с общим и одинаковым для всех протоком среды. Между культиваторами происходит обмен подаваемым на систему субстратом (диффузионные стенки культиваторов), при этом произведенные компонентами системы внутри одного культиватора субстраты не могут быть потреблены популяциями из других культиваторов (односторонняя проницаемость стенок культиватора или биохимическая несовместимость популяций).

Необходимо отметить, что предлагаемый здесь метод из-за крайней упрощенности модельного описания не претендует на полноту описания межпопуляционных отношений и, соответственно, область его применения ограничена схемами, в которых большее значение имеет конфигурация потоков вещества, а не их интенсивность.

1.3.Модельный эксперимент и результаты.

Машинный эксперимент проводился следующим образом.

Коэффициенты аоь а^, атк, а^щ и атк' являлись изменяемыми параметрами, принимающими значения 0 и 1, причем каждое изменение давало новую систему уравнений с наличием/отсутствием определенного пути обмена вещества. Ясно, что число участвующих в машинном эксперименте систем

п п п

Ы=2а , где А = ]Г(аок + акк) + ^ ^(атк + акт + атк') При Vау=1 (1.3)

к=1 к=1 т=1,т^к

Программа, осуществляя полный перебор коэффициентов а, автоматически строит системы уравнений для каждого случая и помещает их в единую модельную среду, где все они включаются в конкурентную борьбу за субстрат 8о- Выигравшая в конкурентной борьбе система исключается из модельной среды, и процедура повторяется - таким образом, мы получаем иерархию выгодности форм взаимодействия в данной системе. Дополнительной характеристикой предпочтительности той или иной вещественнообменной формы является остаточная концентрация внешнего субстрата 8о (Печуркин, 1978, Печуркин и др., 1990) - чем она меньше, тем более предпочтительна или выгодна данная конфигурация вещественнообменных циклов по сравнению с другими конфигурациями.

Описанный модельный эксперимент был проведен для систем, состоящих из двух и трех популяций. Результаты представлены на рисунках 1.2 и 1.3. Сразу отметим, что отношения типа "конкуренция за субстрат" отсутствуют, вероятно, в связи с тем, что при наличии единственного субстрата это приводит к распаду системы (согласно классической теории хемостата).

Рассмотрим подробно случай п = 2. Иерархия выгодности форм взаимодействия видов, т.е. форм взаимодействия, имеющих преимущество перед другими в эволюционном плане и поэтому предпочтительных, здесь выглядит следующим образом:

1. Облигатный симбиоз (мутуализм) (Остаточная концентрация субстрата во- 0.000021 г/л).

2. Симбиоз + "хищник-жертва": популяция, потребляющая вне